煤油-氢双燃料超音速燃烧研究

本课题进行了“煤油一氢”双燃料超音速燃烧的实验研究，采用一维近似计算程序对实验数据进行处理，对此一维程序所用模型也作了说明。实验采用“煤油一氢”双燃料超音速燃烧方案，即利用少量的氢与来流空气自然形成引导火焰与煤油进行混合燃烧。实验是在超单速燃烧实验台上进行的，实验空气总温1800K左右、总压17atm左右，燃烧室进口M为2.5，可以模拟飞行M数为7的超燃冲压发动机中的燃烧工况。在没有附加点火的情况下，能实现煤油一氢双燃料自点火并维持稳定燃烧的条件包括：氢的最小当量比、燃料的喷注方式与燃烧室几何形状等。因此，本实验进行了四方面的研究内容：（1）氢气当量比对点火极限的影响；（2）煤油驱动气压力对点火极限的影响；（3）不同凹槽形火焰稳定器对燃烧的影响，包括改变凹槽形状和改变喷油孔的位置；（4）实验空气总温对燃烧的影响。用一维超音速燃烧程序对实验数据进行了处理，实验结果表明，通过合理地控制氢气当量比、煤油当量比，在一定的总温总压条件下，利用合适的火焰稳定器，采用煤油一氢双燃料超音速燃烧方案实施煤油的超单速燃烧是可行的，其中凹槽形火焰稳定器对点火与燃烧有重要的作用。本实验研究表明，氢气当量比的最低极限为0.09左右，来流总温最低生在1710K时煤油仍能点燃。实验结果说明，煤油一氢双燃料超音速燃料超烯冲压发动机来说，煤油一氢双燃料超音速燃烧的氢量可以控制在较低的范围，并且来流温度要求不是很高，因此对于碳氢燃料超燃冲压发动机来说，煤油一氢双燃料超音速燃烧方案具有较为实用的价值。

碳氢燃料超音速燃烧的数值研究

本文对CH_4横向喷入超音速高温空气主流的二维流场进行了数值模拟，对CH_4-O_2的六方程反应模式进行了检验，借以对混合与燃烧过程的现象与机理加以研究，并与单方程反应模型及H_2横向喷射的情况进行了对比。得到了较为理想的结果。本文采用二维雷诺平均全N-S方程进行计算，采用热完全气体模型，用Baldwin-Lomax代数涡粘性湍流模型来模拟湍流效应。假定N_2不参加反应，CH_4-O_2反应机制选取六个基本反应，以及九个组元O、O_2、CH_3、CH_4、OH、CHO、CH_2O、CO和CO_2，应用空间二阶精度Harten-Yee隐式TVD格式，采用化学源项点隐的全隐方法数值求解。本文对多种超音速空气主流及边界条件的工部进行了数值模拟，并对其流场进行了分析。针对工作中出现的问题，提出了对下一步工作的展望。

超声速化学反应流动中燃料预喷研究述评

研制基于超声速燃烧的高效吸气式推进装置(运行Mach数在3.5以上)需要寻求改善混合效率的有效机制,这对于采用常规碳氢燃料(特别是可以增加密度的液体燃料)的装置尤为重要.延长混合时间的一种途径是在飞行器燃料室的上游喷入部分燃料.壁面喷射一直是超声速气动力学最具挑战性的课题,这里包括使比冲损失最小、改善燃料-空气的混合、减少入口段/燃烧室的相互作用以及增进火焰稳定性等.综述了超声速入口段或燃烧室的隔离器中液体燃料(个别情况下为气体燃料)喷射的研究进展.在这些研究中,燃料都是从后掠型细支架尾迹中的壁面处喷射出来的,动压比很低(qjet/qair=0.6～1.5).它们涉及入口段和燃烧室的隔离器中单个支架/喷射器的几何结构及其组合方式、各种各样的喷射条件、不同的引射剂,并且评估了这些因素对于燃料羽流喷散、比冲损失以及混合效率的影响.述评引用了46篇参考文献.

氧碘化学激光器超声速段射流工作方式性能的数值研究

氧碘化学激光器(COIL)的混合喷管内发生的是气体动力学、化学反应动力学以及光学等相互耦合的复杂过程,每个过程都对COIL性能有着至关重要的影响.利用3维计算流体动力学技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程对简化的氧碘化学激光RADICL模型进行数值模拟与分析,结合10种组分和21个基元反应的化学反应模型,对COIL超声速段射流情况下喷管内的流动及混合情况,尤其是产率、分解率、泵浦率和小信号增益系数的细致3维空间分布进行研究.结果证明超声速段进行射流有利于提高COIL的性能表现,可以充分利用高增益区,光腔位置增益可以达到0.012 cm~(-1),与亚声速段射流相比总压恢复性能提高,混合有待加强.

带主动冷却的超声速燃烧室传热分析

介绍了流体、固体传热耦合的一维分析方法,对带主动冷却系统的马赫数2.5超声速燃烧室进行了传热分析.该分析以实验测量的燃烧室壁面静压以及超临界煤油换热特性数据为基础,考虑了燃气的高温离解效应,燃烧特性以及碳氢燃料的高温热物理特性,对不同燃烧状态、冷却条件下的主动冷却过程进行了分析.结果表明有燃烧时壁面热流可高达1 MW/m~2以上,是无燃烧时的2～3倍.当煤油流量较小时(当量比为0.45),冷却后的壁面温度仍偏高,而且冷却壁内温度分布不均匀.随着煤油流量的增加,冷却效果明显提高,冷却壁内温度分布趋于均匀;并且煤油的出口温度也显著减小.

一种含运动固壁超声速流动的Descartes网格算法

提出一种Descartes网格算法,用于数值求解含任意复杂及运动固壁的超声速流动问题.采用位标集函数确定和跟踪流-固界面.引入虚网格技术处理流-固边界条件,并沿法向和切向分别进行计算.该算法简单、稳健,可与高阶有限差分格式并用.选取一组一维/二维静止或运动物体绕流算例,验证其有效性.

Aerodynamic characteristics research on wide-speed range waverider configuration

Waverider generated from a given flow field has a high lift-to-drag ratio because of attached bow shock on leading edge. However, leading edge blunt and off-design condition can make bow shock off leading edge and have unfavorable influence on aerodynamic characteristics. So these two problems have always been concerned as important engineering science issues by aeronautical engineering scientists. In this paper, through respectively using low speed and high speed waverider design principles, a wide-speed rang vehicle is designed, which can level takeoff and accelerate to hypersonic speed for cruise. In addition, sharp leading edge is blunted to alleviated aeroheating. Theoretical study and wind tunnel test show that this vehicle has good aerodynamic performance in wide-speed range of subsonic, transonic, supersonic and hypersonic speeds.

冲压发动机喷气催化复合效应研究

在高超声速飞行条件下，流入冲压发动机燃烧室并降至低速的空气的温度随飞行马赫数增加而愈来愈高。燃料与高温空气混合燃烧释放的化学能中的一部分将转化为解离能。这些解离能在长度受限的尾喷管中难以充分复合形成推力，使冲压发动机推力在高超声速范围内随飞行马赫数增大而下降，难以满足高超声速飞行器的推进要求。 与亚燃冲压发动机相比，流入超燃冲压发动机燃烧室的空气的温度在同样飞行马赫数条件下将明显降低，上述困难可大大缓解。然而目前超燃冲压发动机还存在关键性难点有待克服。若保持现有亚燃冲压发动机的吸气与燃烧方式，通过催化促进燃气解离组分在尾喷管膨胀过程中复合，可以增大冲压发动机的推力，满足高超声速飞行器的推进要求，为高超声速飞行器推进提供新的选择。 本论文主要研究内容如下： （1） 研究了亚燃冲压发动机燃烧室内燃气解离能与飞行马赫数的关系。通过对冻结流、平衡流和有限化学反应速率的流动的数值计算，确定了回收解离能增大推力的潜力。 （2） 以双爆轰技术为基础，建立起一套地面燃气产生装置。所产生的燃气的组分、温度和压力均与冲压发动机在高空飞行时燃气完全相同。调试出总温3200K、总压20Bar（对应来流马赫数6）和试验时间17.5ms以及总温4000K、总压5Bar（对应来流马赫数8）和试验时间12.5ms两种状态参数的试验用燃气。 （3） 建立了基于动量守恒原理的通过皮托管测压力换算推力的测量方法。对催化复合增大推力的实验而言，一般要进行特定流动条件下喷水与未喷水两种情况下推力大小的比较，其精度可以达到2%甚至更高。 （4） 完成了尾喷管喉道下游管壁喷水试验，成功释放出高温燃气中的解离能，有效增大了推力，证实了催化增推的想法是可行的。在来流马赫数6的条件下获得了11.0%的推力增量；在来流马赫数8.0的条件下也获得了11.7%的推力增加。

Optimization of Air Staging In A 1 Mw Tangentially Fired Pulverized Coal Furnace

This paper deals with an experimental study of air staging in a 1 MW (heat input power) tangentially fired pulverized coal furnace. The influences of several variables associated with air staging on NOx reduction efficiency and unburned carbon in fly ash were investigated, and these variables included the air stoichiometric ratio of primary combustion zone (SR1), the locations of over-fire air nozzles along furnace height, and the ratio of coal concentration of the fuel-rich stream to that of the fuel-lean one (RRL) in primary air nozzle. The experimental results indicate that SR1 and RRL have optimum values for NOx reduction, and the two optimum values are 0.85 and 3:1, respectively. NO, reduction efficiency monotonically increases with the increase of OFA nozzle location along furnace height. On the optimized operating conditions of air staging, NOx reduction efficiency can attain 47%. Although air staging can effectively reduce NOx emission, the increase of unburned carbon in fly ash should be noticed. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nuclear fusion from Coulomb explosions of deuterated methane clusters subjected to ultraintense femtosecond laser pulses

This paper reports that Coulomb explosions taken place in the experiment of heteronuclear deuterated methane clusters ((CD4)(n)) in a gas jet subjected to intense femtosecond laser pulses (170 mJ, 70 fs) have led to table-top laser driven DD nuclear fusion. The clusters produced in supersonic expansion had an average energies of deuterons produced in the laser-cluster interaction were 60 and 1.5 KeV, respectively. From DD collisons of energetic deuterons, a yield of 2.5(+/-0.4)x10(4) fusion neutrons of 2.45 MeV per shot was realized, giving rise to a neutron production efficiency of about 1.5 x 10(5) per joule of incident laser pulse energy. Theoretical calculations were performed and a fairly good agreement of the calculated neutron yield with that obtained from the present experiment was found.

Au@Si-n: Growth behavior, stability and electronic structure

The configurations, stability, and electronic structure of AuSin (n = 1-16) clusters have been investigated within the framework of the density functional theory at the B3PW91/LanL2DZ and PW91/DNP levels. The results show that the Au atom begins to occupy the interior site for cages as small as Si-11 and for Si-12 the Au atom completely falls into the interior site forming Au@Si-12 cage. A relatively large embedding energy and small HOMO-LUMO gap are also found for this Au@Si-12 structure indicating enhanced chemical activity and good electronic transfer properties. All these make Au@Si-12 attractive for cluster-assembled materials.

Nonlinear elastic waves in a monatomic chain with nonlinear interaction

Nonlinear wave equation for a one-dimensional anharmonic crystal lattice in terms of its microscopic parameters is obtained by means of a continuum approximation. Using a small time scale transformation, the nonlinear wave equation is reduced to a combined KdV equation and its single soliton solution yields the supersonic kink form of nonlinear elastic waves for the system.